磁耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸(Magnetic Coupling Wire- less Power Transfer, MC-WPT)技術(shù)是基于電磁感應(yīng)耦合原理實(shí)現(xiàn)一定距離的非接觸式能量傳輸,由于其便捷、安全、靈活等特點(diǎn)受到了學(xué)者和企業(yè)的廣泛關(guān)注,現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用于家電、醫(yī)療、消費(fèi)電子和交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域。
近年來(lái),MC-WPT技術(shù)開(kāi)始逐漸應(yīng)用于移動(dòng)式負(fù)載(如電動(dòng)車(chē)行進(jìn)中無(wú)線(xiàn)充電、物流系統(tǒng)搬運(yùn)小車(chē)、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)傳輸機(jī)構(gòu)、變電站巡檢機(jī)器人等),即動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)供電(Dynamic Wireless Power Transfer, DWPT)系統(tǒng)。在DWPT系統(tǒng)中,有圖1和圖2所示的兩種常用供電模式。
圖1所示為全程單導(dǎo)軌供電模式。當(dāng)用電設(shè)備行駛在發(fā)射導(dǎo)軌上方時(shí),拾取線(xiàn)圈可以獲得持續(xù)的能量。但是,單導(dǎo)軌供電模式的缺點(diǎn)在于:因能量發(fā)射導(dǎo)軌長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于拾取線(xiàn)圈尺寸而使得耦合系數(shù)較小且產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)暴露問(wèn)題,因此不適用于長(zhǎng)距離應(yīng)用。
圖2所示為分段導(dǎo)軌(多陣列線(xiàn)圈)(為了方便描述,以下發(fā)射導(dǎo)軌和發(fā)射線(xiàn)圈統(tǒng)稱(chēng)發(fā)射導(dǎo)軌)供電模式。多個(gè)發(fā)射導(dǎo)軌依次鋪設(shè)在用電設(shè)備的移動(dòng)路徑上,可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備的分段供電,從而解決全程單導(dǎo)軌供電模式存在的問(wèn)題。在這種供電模式中,有兩種變換器驅(qū)動(dòng)模式。
圖2a所示的單變換器驅(qū)動(dòng)模式下,多個(gè)發(fā)射導(dǎo)軌共用一個(gè)變換器,可以實(shí)現(xiàn)多發(fā)射導(dǎo)軌的同步驅(qū)動(dòng),但是需要增加導(dǎo)軌切換電路以降低非工作導(dǎo)軌的損耗。同時(shí),該驅(qū)動(dòng)模式對(duì)變換器容量要求較高,且系統(tǒng)冗余度較低,因此也不是長(zhǎng)距離應(yīng)用的最佳驅(qū)動(dòng)方案。圖2b所示的多變換器驅(qū)動(dòng)模式可以實(shí)現(xiàn)各發(fā)射導(dǎo)軌的獨(dú)立控制,且系統(tǒng)具有較高的冗余度,相較而言更適用于長(zhǎng)距離應(yīng)用。但是,該驅(qū)動(dòng)模式需要大量的變換器,從而增加了系統(tǒng)成本和維護(hù)難度。
圖1 全程單導(dǎo)軌供電模式
圖2 分段導(dǎo)軌(多陣列線(xiàn)圈)供電模式
作為MC-WPT系統(tǒng)的電能變換器,除了常用的橋式、推挽和E類(lèi)逆變器,目前已見(jiàn)報(bào)道的拓?fù)溥€有矩陣變換器、多電平逆變器、三相逆變器和多逆變器并聯(lián)等。上述拓?fù)涞难芯恐饕且韵到y(tǒng)功率提升為目標(biāo),均具有較多的開(kāi)關(guān)器件或直流儲(chǔ)能元件,且多為單輸出拓?fù)?,更適用于驅(qū)動(dòng)單個(gè)發(fā)射導(dǎo)軌。
Boost逆變器作為一種集成式單級(jí)升壓逆變器,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓和逆變功能,具有開(kāi)關(guān)器件少、結(jié)構(gòu)與控制策略簡(jiǎn)單等特點(diǎn),常用于隔離DC-DC電源、光伏逆變以及感應(yīng)加熱等。
重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、復(fù)雜系統(tǒng)安全與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))、國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中心的研究人員,在Boost半橋逆變器的基礎(chǔ)上,提出一種適用于DWPT系統(tǒng)的雙輸出逆變器。相比于圖2b中的多變換器驅(qū)動(dòng)模式,該逆變器可以產(chǎn)生兩路相同的輸出,用以驅(qū)動(dòng)兩段發(fā)射導(dǎo)軌,從而減少逆變器的數(shù)量,并簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制。
圖3 實(shí)驗(yàn)裝置
另一方面,作為逆變器本身,相比于MC-WPT系統(tǒng)常用的逆變器,該逆變器的輸出電壓增益范圍為0~1.39,在更少的開(kāi)關(guān)器件下仍然能夠保證相同的電壓輸出能力,從而可以進(jìn)一步減少單個(gè)逆變器中開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量。因此所提雙輸出逆變器適用于分段導(dǎo)軌(多陣列線(xiàn)圈)模式的長(zhǎng)距離動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,基于所提雙輸出逆變器的DWPT系統(tǒng)可以在拾取線(xiàn)圈移動(dòng)的過(guò)程中一直保持較高的傳輸效率,且最大傳輸效率為90%以上。同時(shí),系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,完全能夠滿(mǎn)足一般DWPT系統(tǒng)的要求。
需要說(shuō)明的是,基于所提逆變器的DWPT系統(tǒng)實(shí)際上是由多個(gè)結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同的子系統(tǒng)組合而成,每個(gè)子系統(tǒng)均包含逆變器和兩段發(fā)射導(dǎo)軌。各子系統(tǒng)本身的運(yùn)行特性和規(guī)則是相同的。研究人員針對(duì)單個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了研究與分析,其結(jié)果同樣適用于其他子系統(tǒng),進(jìn)而可以擴(kuò)展到整個(gè)系統(tǒng)。
以上研究成果發(fā)表在2020年第4期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“用于動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)的雙輸出逆變器”,作者為葛學(xué)健、孫躍、唐春森、左志平、桑林。